Разработка теоретических основ и новых методов селекции
Для повышения эффективности и обеспечения дальнейшего прогресса селекции необходимо развитие и совершенствование теоретических исследований и разработка новых методов селекционной работы. Успех выполнения селекционных программ зависит от глубины знаний биологических особенностей культуры, генетических основ наследования изучаемых качественных и количественных признаков, владения методами создания, оценки и отбора исходного материала. Тщательное изучение интродуцированного и создаваемого селекционного материала по прямым и косвенным признакам в обычных и провокационных условиях позволяет выделить ценные доноры и источники необходимых признаков.
С помощью гибридологического анализа в первом и втором поколениях гибридов можно установить закономерности наследования необходимых признаков, что позволяет планировать и прогнозировать результаты работы с гибридными поколениями, управлять генетическими процессами, происходящими в гибридных популяциях, рассчитать количество и долю выщепления возможных фенотипов и их разнообразие по генотипам. Подобрав, таким образом, определенные пары для скрещивания можно предвидеть конечный результат и вести целенаправленную научно-обоснованную работу, добиваться успеха в короткий период времени за счет более полного и эффективного использования комбинационной изменчивости.
Пименение биотехнологических методов эмбриокультуры, культуры пыльников, соматической гибридизации и клеточной селекции помогает в значительной степени преодолеть имеющиеся трудности при отдаленной гибридизации. Создание моносомных линий позволяет установить локализацию некоторых генов в определенных хромосомах и использовать их при подборе пар для скрещивания. Метод гаплоидии и дигаплоидии дает возможность получать генетически чистый материал в короткое время и исключить сложную работу по доведению ценных форм до константного состояния.
С помощью метода электрофореза можно установить родственные связи исходных форм, осуществить более правильный подбор пар для скрещивания и проводить рациональный отбор наиболее ценных биотипов.
При селекции на зимостойкость, холодостойкость, засухоустойчивость и устойчивость к вредителям и болезням важную роль играют знания физиологических процессов, протекающих в растении на протяжении всех этапов онтогенеза, механизма реализации наследственной информации ядра и цитоплазмы.
Физиолого-биохимические исследования и раскрытие генетической природы образования и накопления питательных веществ помогают решать различные проблемы, связанные с селекцией на качество продукции.
Для успешного решения проблем иммунитета растений большое значение имеет разработка и совершенствование методов создания инфекционных фонов при селекции на устойчивость ряда культур к фузариозу, корневым гнилям, антракнозу, различного рода вирусам и бактериальным заболеваниям. Провокационные фоны позволяют успешнее решать задачи повышения зимостойкости озимых культур, засухоустойчивости. Выявление источников и доноров устойчивости зерновых культур к пыльной и твердой головне, различным видам ржавчины, картофеля к фитофторозу, раку, нематоде, колорадскому жуку, осуществляется также с помощью провокационных фонов путем искусственного заражения селекционных образцов или почвы на изолированных участках.
Важное значение имеет использование методов ускорения создания и размножения нового селекционного материала с применением сооружений искусственного климата. Большая работа предстоит по компьютеризации и математическому моделированию селекционного процесса.
Глава 5 УЧЕНИЕ О СОРТЕ И ИСХОДНОМ МАТЕРИАЛЕ В СЕЛЕКЦИИ РАСТЕНИЙ
Понятие о сорте
Селекция растений является наукой о создании новых сортов и гибридов сельскохозяйственных культур. В ее задачу входит сбор, создание и изучение исходного материала, оценка полученных новых форм и образцов, испытание, районирование и внедрение в производство выведенных сортов.
Главная цель селекционной работы заключается в создании новых сортов, способных формировать более высокие урожаи, увеличивать валовые сборы продукции растениеводства и улучшать её качество. Вся деятельность селекционеров и селекционных учреждений направлена на выполнение тех неотложных задач, которые стоят перед сельскохозяйственным производством по созданию достаточного количества продуктов питания для населения, кормов для животных и сырья для легкой и пищевой промышленности.
Сортом называется совокупность сходных по хозяйственно-биологическим свойствам и морфологическим признакам культурных растений, созданных и размноженных для возделывания в соответствующих природных и производственных условиях с целью повышения урожайности, качества продукции и экономической эффективности производства.
Создаваемые сорта предназначаются для получения высоких и стабильных урожаев определенного вида продукции нужного качества. Растения, составляющие сорт, характеризуются общностью происхождения, имеют схожую генетическую основу и размножены из одного или нескольких исходных индивидуумов. Степень сходства растений, составляющих сорт, определяется как исходным селекционным материалом (гибриды, мутанты, гибридо-мутанты, полиплоиды и др.), так и методами используемого отбора (индивидуальный, массовый, клоновый и др.). Сорт создается для определенных почвенно-климатических зон, где для него имеется возможность наиболее полной реализации потенциальной возможности генотипа.
Сорта сельскохозяйственных культур по своему происхождению подразделяются на местные (созданные в результате действия естественного и искусственного отборов в определенной местности) и селекционные (созданные на основе научных методов селекции).
В зависимости от способов выведения получают сорта-популяции, создаваемые путем массового отбора перекрестноопыляющихся (рожь, гречиха, кукуруза, свекла, клевер и др.) или самоопыляющихся растений; сорта-линии, получаемые путем индивидуального отбора растений самоопыляющихся культур (пшеница, ячмень, овес, горох, лен, люпин узколистный и др.), представляющие потомство, размноженное от одного растения. Сорта гибридного происхождения создаются путем скрещивания родительских форм с последующим отбором ценных растений для дальнейшего их размножения. Сорта-клоны получают методом индивидуального клонового отбора у вегетативно размножаемых культур (картофель, топинамбур, лук, чеснок, земляника).
Гибриды в зависимости от способа получения подразделяются на простые, двойные, трехлинейные, межлинейные, сорто-линейные, линейно-сортовые. Для получения гибридов используют стерильные аналоги, фертильные аналоги закрепители стерильности и фертильные аналоги восстановители фертильности.
Сорта и гибриды могут быть перспективными, районированными, дефицитными и стандартными. Перспективными признаются сорта и гибриды, которые успешно проходят государственное испытание, подтверждают свои преимущества, но требуют перед включением в Государственный реестр прохождения производственного испытания и размножения в системе оригинального семеноводства. Районированные сорта и гибриды заносятся в Государственный реестр охраняемых сортов и разрешаются для использования в производстве. Дефицитными являются сорта и гибриды, включенные в Госреестр по которым после включения в Госреестр не полностью развернуто семеноводство и ощущается недостаток семян.
Стандартом являются лучшие районированные сорта и гибриды, с которыми в государственном испытании осуществляется сравнение всех испытываемых новых сортов на государственных сортоучастках (ГСУ) и сортоиспытательных станциях (СС).
К сорту, как средству сельскохозяйственного производства, предъявляются большие требования. В нем должна быть удачно совмещена высокая стабильная продуктивность с устойчивостью к неблагоприятным условиям окружающей среды, к болезням и вредителям. Он должен быть пластичным, т.е. обладать широким диапазоном нормы реакции, быть отзывчивым на вносимые удобрения и другие агротехнические приемы, иметь совершенную архитектонику. Пластичные сорта за счет особенностей генотипа и широты нормы реакции в государственном и производственном сортоиспытаниях формируют более стабильные и высокие урожаи по годам на различных сортоучастках и сортоиспытательных станциях. На основании полученных данных такие сорта районируются на больших территориях и занимают обширные ареалы распространения. Примерами широкораспространенных высокопластичных сортов озимой ржи могут служить сорта Вятка, Восход 1, Харьковская 60, Белта, Верасень, озимой пшеницы Безостая 1, Мироновская 808, Капылянка, Каравай, яровой пшеницы Лютесценс 62, Саратовская 29, Иволга, ярового ячменя Винер, Московский 121, Зазерский 85, Гонар, Гастинец, люпина Вайко, Быстрорастущий 4, Академический 1, Миртан, Першацвет, картофеля Ранняя роза, Лорх, Темп, Лошицкий, Скарб, Журавинка и другие.
Продуктивность сорта любой сельскохозяйственной культуры зависит от его генотипа и условий окружающей среды. Особое значение имеют такие признаки, как зимостойкость, засухоустойчивость, устойчивость к болезням, вредителям и полеганию, дружность созревания, продолжительность вегетационного периода. Чем полнее соответствуют условия произрастания сорта его генотипу, тем продолжительнее сохраняются и стойко поддерживаются его типичность, сортовая чистота, высокие посевные качества и другие хозяйственно-биологические признаки и свойства. Вместе с тем известно, что условия произрастания культурных растений изменяются по годам, поэтому наблюдаются отклонения в реализации потенциальных возможностей сортов.
Качество продукции определяется такими показателями как стекловидность, выполненность зерна, содержание белка и клейковины, выход муки или крупы у зерновых и крупяных культур, выход волокна у льна, крахмала у картофеля, сахара у сахарной свеклы, кормопротеиновых единиц у трав и др.
В любом научно-исследовательском учреждении селекция по созданию нового сорта начинается с разработки его модели (проекта), в основу которой берутся результаты тщательного изучения исходного материала и достижений селекции.
Модель сорта включает перечень основных морфологических и хозяйственно-полезных признаков. В качестве эталона берется соответствующий лучший районированный сорт-стандарт с его параметрами. Во второй колонке модели указывается уровень показателей, который должен быть обеспечен в проектируемом сорте по урожайности и элементам ее структуры, устойчивости к болезням, вредителям, полеганию, осыпанию, неблагоприятным условиям погоды, качеству продукции, длине вегетационного периода и другим признакам.
На протяжении всей истории селекции и особенно на ее современном научном этапе создано большое количество ценных сортов различных культур, изменивших во многих случаях облик и свойства своих предков до неузнаваемости. Яркими примерами этому могут служить достижения в селекции не только таких сравнительно новых культур, как сахарная свекла, подсолнечник, люпин, но и древних злаков – пшеницы, ржи, ячменя и других сельскохозяйственных растений.
Подсолнечник, например, как масличное растение в полевой культуре, появился в России в 1816 году, но его посевы из-за сильной поражаемости заразихой и низкой урожайности не расширялись, а наоборот, после некоторого подъема к концу XIX века стали резко сокращаться. Начатая в 1912-1913 годах селекционная работа спасла подсолнечник как культуру и изменила коренным образом «цветок солнца».
Особые заслуги в достижениях селекции этой культуры принадлежат дважды Герою социалистического труда академику В.С. Пустовойту, под руководством которого во ВНИИ масличных культур в г. Краснодаре немногим более чем за четверть века удалось повысить масличность семян в 2 раза. Масличность товарных семян в 1940 году составляла 28,6%, через 10 лет она повысилась до 30,4%, через каждые последующие 5 лет содержание масла в семенах новых сортов повышалась на 4–5%. К 1975 году масличность семян районированных сортов достигла 50–52%, а такие новые сорта как Передовик, Маяк, Смена, Восток и другие формируют высокие урожаи семян подсолнечника с содержанием масла 55–57%.
С 1977 года впервые в мировой практике районирован новый сорт подсолнечника Первенец, содержание олеиновой кислоты в масле которого достигает 70–75%, т.е. в два раза больше, чем у обычных сортов. Внедрение этого и подобных ему сортов в производство позволит полностью исключить импорт дорогостоящего оливкового масла, добываемого из плодов маслины в странах Средиземноморья. Под сортами селекции ВНИИМК им. В.С. Пустовойта в России и Украине посевные площади доходили до 4,4 млн. га. Более 2 млн. га они занимали в других странах почти всех континентов.
Благодаря огромным успехам селекционеров краснодарские сорта подсолнечника даже на родине этой культуры, в странах американских континентов, не только получили широкое производственное распространение, но и являются основными источниками для селекционной работы в качестве исходного материала.
Успех селекции подсолнечника заключается не только в повышении масличности его семян, но и в значительном повышении урожайности этой культуры. Значительно улучшены и такие хозяйственно-ценные свойства растения как устойчивость к болезням и вредителям, дружность созревания, пригодность к механизированной уборке и другие.
Благодаря внедрению новых высокомасличных и высокоурожайных сортов сбор масла с 1 гектара достигает 2 тыс. и более кг/га, что почти в 5 раз больше по сравнению с 1940 годом. За счет этого ежегодно дополнительный сбор составлял сотни тысяч тонн подсолнечного масла в России.
Второй весьма убедительный пример преобразования наследственности растений можно проследить на сахарной свекле. Впервые товарный сахар из этой культуры в Европе был получен в начале XIX столетия. Его содержание в то время в корнеплодах не превышало 6%, но благодаря начатой селекционной работе Луи Вильмореном в середине XIX века во Франции к 1888 году удалось повысить процент сахара в корнях до 10%, а через 10 лет до 15,2, в 1909 году лучшие сорта имели сахаристость до 18,4%. Современные сорта и гибриды содержат в корнях до 20% сахара. Урожайность при этом достигала 45,0–50,0 т/га, что обеспечивало сбор сахара 7,5–9,0 т/га. Они, за ряд последних лет Государственного испытания на сортоучастках Беларуси обеспечивали получение урожайности корнеплодов до 50 – 68 т/га с выходом сахара до 9,3–10,6 т/га.
Большим успехом в селекции сахарной свеклы является создание односемянных (одноростковых) сортов, что позволяет значительно уменьшить расход семян при посеве и максимально механизировать уход за плантациями. Дальнейший прогресс в селекции этой культуры продолжается благодаря разработке новых селекционно-генетических методов с использованием полиплоидии и гибридизации сортов различной плоидности, при которой получают триплоидные гибридные семена в производственных масштабах, способные формировать более высокие урожаи корнеплодов с повышенным содержанием сахара.
Если сравнить эти достижения с теми несколькими центнерами урожая сахара, которые получали земледельцы от сахарной свеклы в начале XIX в., то можно сразу убедиться в огромной роли селекции и исключительно важном значении сорта.
Результаты селекции люпина могут также служить ярким и выразительным примером превращения желтого, узколистного и белого люпинов, возделываемых на зеленое удобрение в высокобелковую ценную кормовую культуру, которая в условиях Республики Беларусь, Полесья Украины, нечерноземной зоны Российской Федерации имеет большое значение для решения проблемы белка.
За 80 последних лет в результате селекционной работы ученых различных стран желтому и узколистному люпину, например, приданы такие ценные признаки как безалкалоидность, белосемянность, нерастрескиваемость бобов, быстрые темпы первоначального роста, скороспелость, набухаемость семян без предварительной их скарификации, фузариозоустойчивость. За этот сравнительно короткий период времени у люпина, таким образом, были устранены многие признаки дикаря и создан обширный новый генофонд этой культуры для дальнейшей селекционной работы. Современные лучшие сорта люпина способны давать 1,5–2,0 тонны растительного полноценного по аминокислотному составу белка.
Аналогичные примеры можно привести по картофелю, кукурузе, хлопчатнику и многим другим культурам.
Нельзя обойти вниманием и выдающиеся успехи в селекции пшеницы, история селекционного преобразования которой насчитывает несколько тысячелетий. На всем ее протяжении люди методом отбора помогали эволюционному процессу, создали многочисленные местные сорта народной селекции. Однако они из-за целого ряда недостатков не в состоянии были обеспечить получение высоких урожаев. Среднегодовые урожаи озимой пшеницы даже на благоприятных землях Кубани за период 1901–1919 г.г. колебались от 0,6 до 1,3 т/га. Только благодаря усилию селекционной работы селекционерам г. Краснодара под руководством дважды Героя социалистического труда академика П.П. Лукьяненко удалось в конце 30-х годов создать сорт Краснодарская 622/2, превысивший наиболее распространенный в то время сорт Украинка на 10-15%. Этот небольшой скачек был очень важным для наращивания дальнейших успехов. Для создания устойчивых к полеганию и ржавчине сортов пшеницы был привлечен обширный исходный материал из американских и аргентинских сортов, в родословной которых участвовали сорта Англии, Голландии, Италии, Японии, Китая, Испании, Уругвая, США, России, Украины, Венгрии. При скрещивании аргентинского сорта Клейн 33 с американским Канред-Фулькастер 266287 были получены сорта Скороспелок 1, 2, 3 и 3б. Один из этой серии сорт Скороспелка 2 при скрещивании с украинским сортом Лютесценс 17 дал начало сортам нового типа, отличающихся устойчивостью к полеганию, высокой урожайностью и качеством зерна. Первый сорт этого типа Безостая 4 был районирован в 1955 году, а на его смену через 4 года пришел новый еще более ценный сорт Безостая 1, полученный методом индивидуального отбора из Безостой 4. Сорт Безостая 1 прославил советскую селекцию на весь мир и был справедливо назван шедевром мировой селекции. С внедрением в производство этих сортов урожайность озимой пшеницы на Кубани в 1963–1966 г.г. возросла почти в 3 раза по сравнению с дореволюционным периодом.
Не менее знаменитым и еще более распространенным сортом озимой пшеницы явилась Мироновская 808, созданная на Украине дважды Героем социалистического труда академиком В.Н. Ремесло. Благодаря лучшим сортам отечественной селекции Безостая 1, Мироновская 808 и др. урожайность озимой пшеницы возросла с 1,0 т/га (1913г.) до 2,78 т/га (1986г.), а на Кубани с 0,99 т/га (1913г.) до 3,35 т/га (1988г.). В условиях Беларуси, где раньше пшеница не имела широкого распространения, районированные сорта Капылянка, Каравай, Легенда и новый сорт Ядвися не только на сортоучастках, но и на больших площадях производственных посевов формируют до 7,0–10,0 и более т/га зерна.
Отмечая рост урожайности с.-х. культур, следует отдавать должное повышению общей культуры земледелия, применению интенсивной технологии возделывания, которые способствуют полнее использовать потенциальные возможности районированных сортов. Однако при постановке специальных опытов в Краснодарском НИИСХ им. П.П.Лукьяненко, когда высевали в одинаковых условиях одновременно старые сорта и Безостую 1, выяснилось, что урожайность зерна была соответственно 2,51 т/га (Седоуска) и 5,16 т/га (Безостая 1). Здесь уже заслуга селекции и роль сорта очевидна.
С созданием короткостебельных сортов пшеницы была совершена так называемая «зеленая революция». Академику П.П. Лукьяненко принадлежит приоритет в разработке модели создаваемых короткостебельных сортов озимой пшеницы. По созданному в Краснодарском НИИСХ сорту Полукарликовая 49 за 4 года конкурсного испытания (1973–1976 г.г.) получена урожайность 7,83 т/га, что на 1,83 т/га больше, чем у Безостой 1.
Рекордные урожаи озимой пшеницы получены на Пржевальском ГСУ в Киргизии, где при орошении сорт Пржевальская дал 11,05 т/га зерна, а Кавказ и Ильичевка – соответственно по 10,35 и 10,52 т/га.
Ценный сорт пшеницы Грекум 114 создан методом отдаленной гибридизации под руководством дважды Героя социалистического труда академика Н.В. Цицина. Этот сорт в обычных условиях превышает лучшие районированные сорта на 0,3–1,2 т/га, а в условиях орошения на 1,4–1,5 т/га.
Исключительно убедительные примеры и большие перспективы имеются в селекции ячменя, ржи и по многим другим культурам.
Отведенное место в данной главе не позволяет подробно остановиться на достижениях и полной истории селекции. Однако на основании вышеизложенного можно с достаточно глубокой обоснованностью заключить, что сорт является результатом многолетнего, кропотливого и весьма напряженного труда целых научных коллективов и школ, результатом воплощения комплекса биологических знаний, идей и замыслов селекционера в реальную действительность. Сорт является качественно особенной, хозяйственно-полезной систематической группой растений, очень мощным средством сельскохозяйственного производства.
В настоящее время в республиках СНГ районировано более 750 сортов зерновых, зернобобовых и крупяных культур, около 200 сортов масличных, технических и прядильных культур, более 120 сортов картофеля, около 550 сортов и гибридов овощных и 850 сортов кормовых культур. Ежегодно включается в Реестры более 150 новых районированных сортов различных сельскохозяйственных культур.